Новости
Расчет маневров субмарины
Office of Naval Research, USA.
Dejan Matic, Bill Clark, Ganesh Venkatesan, CD-adapco.
«Чокнутый Иван» (‘Crazy Ivan’) – морской термин для обозначения маневров субмарины, характеризуемым последовательностью резких, неожиданных поворотов, производимых экипажем для осмотра пространства впереди лодки при помощи сонара. Часть названия «Чокнутый» пришла как характеристика неожиданности поворотов, а «Иван» является обобщенным именем русских, возникшее в период Холодной Войны. Это стандартная тактика преследующей подлодки, идущей вслед за Советской субмариной, которая пытается прятаться в областях тени сонара, чтобы остаться незамеченной американской подводной лодкой.
Численные расчеты маневров подводной лодки является насущной проблемой, которая только недавно была поставлена перед наиболее современными CFD (Вычислительная Динамика Жидкости) кодами. В данной статье мы демонстрируем, как технология численного анализа компании CD-adapco способна предсказать движение субмарины под действие гидродинамических сил. Полученные результаты сравниваются с экспериментальными данными.
Доказывая, что правда иногда более странна чем вымысел, будучи разработанным с активным использованием CFD, Pro Observer сейчас проходит тестовые полеты.
Компания Entecho была образована с целью коммерциализации уникальной технологии полета, которую создал Kim Schlunke, ее основатель.
Рис.:01 Разрешение сетки на винте и управляющих поверхностях.
Физически обоснованные расчеты поведения субмарины, совершающей маневры, является чрезвычайно дорогим для большинства CFD приложений. Дело в том, имеется широкий диапазон размеров и временных отрезков, которые должны быть учтены для точного описания потоков вдоль корпуса подводной лодки. Необходимо в деталях прописать все геометрические особенности лодки и ее двигательной установки. Характерные размеры варьируются от очень тонких пристеночных слоев до полного размеры субмарины. Временная шкала изменяется от времени оборота винта до общего времени совершения маневра, и даже более, если несколько маневров скомбинированы в один расчет. Эта несоразмерность шкал приводит к огромным сеточным моделям и очень маленьким шагам по времени, что, до недавнего времени, выливалось в высочайшие требования к вычислительным ресурсам.
Субмарина обычно использует трехлопастный вращающийся винт. Маневры осуществляются при помощи рулевых и кормовых плоскостей, управление осуществляется изменением этих управляющих плоскостей.
Численная методика.
На протяжении всего маневра субмарина изменяет свое положение и ориентацию под влиянием полей давления, генерируемых применением управляющих поверхностей. Расчет маневра требует согласованного решения уравнений движения твердого тела (в шести степенях свобод) с усредненным по Рейнольдсу нестационарным уравнениями Навье-Стокса (УРНС). УРНС солвер использует полностью неявную итеративную интегрированную по времени схему. Они сначала рассчитывают поля потоков и интегрируют рассчитанные сдвиговые напряжения и распределения давления на поверхности тела для вычисления гидродинамических сил и момента, действующего на тело. Затем решаются уравнения движения для получения мгновенных смещений и вращений. Эта информация используется для перестроения сеточной модели, которая вращается и двигается вместе с твердым телом в инерциальной системе отсчета.
Интегрирование и движение сеточной модели твердого тела производится автоматически, используя DFBI (Динамическая Взаимодействие Жидкости и Твердого тела) модель на каждой итерации. После достижения сходимости процесса на каждой итерации получается траектория движения тела. Правильная природа методики (при которой уравнения движения рассчитываются одновременно с полями потоков) важна для стабильности, сходимости расчета без использования непрактично мелкого временного шага.
Рис:02 Распределение давления по поверхности и направление течения.
Сеточная модель
Дискретная сеточная модель состоит из 3 миллионов ячеек, включая слои призматических ячеек вдоль стенок, которые созданы для правильной передачи пристеночного слоя. Сетка создавалась автоматически при помощи автоматизированной сеточной технологии компании CD-adapco с использованием шестигранных ячеек: простая базовая модель из шестигранников была создана внутри границ компьютерной области, перекрывающего геометрию субмарины. Те шестигранники, которые оказались внутри тела или выделенного слоя были удалены, в то время как те, которые пересекали этот слой были обрезаны так, чтобы перекрытие было устранено. На заключительной стадии было выполнено дополнительное измельчение сетки в областях, где ожидались значительные перепады потоков.
Винт был помещен в цилиндрический сеточный блок, который вращается вокруг оси винта, со скользящей сеточной границей между этим цилиндрическим блоком и окружающей жидкий областью. Движение управляющей поверхности руля учитывается при помощи искажения сетки (mesh distortion). По мере перемещения руля в новую позицию на каждом временном шаге происходит деформация структуры сеточного блока и его выглаживание. При использовании этой процедуры достаточно построить сеточную модель только один раз для проведение полного расчета вместо создание серии сеточных моделей для разных позиций руля с последующей интерполяцией в промежуточных положениях. При этом объем работы и заданий пользователем значительно сокращается.
Рис:03 Сравнение предсказанного изменения курсового (Yaw) угла с измеренным для маневра горизонтального перестроения.
Рис:04 Сравнение предсказанной изменения траектории центра тяжести с измеренной при движении в одной плоскости
Расчет маневрирования
В случае движения на постоянной и большой глубине, мы рассматриваем движение субмарины в неограниченной области покоящейся воды. Подлодка двигается под управлением 3-х лопастного винта, руля и кормовых плоскостей. Вся модель для вычислений, включая тело субмарины, движется вместе с телом без каких-либо деформаций. Поля величин рассчитываются в инерциальной системе координат, связанной с лодкой, что делает более простым задание граничных условий. Так, поскольку тело движется в неограниченной области спокойной воды, задается скорость равной нулю на дальней границе области.
В случае горизонтального маневра верхние и нижние рулевые поверхности задействуются для осуществления маневра. В эксперименте, руль отклонялся на 10 градусов и удерживался в этой позиции до тех пор, пока корпус лодки не отклонялось на угол 30 градусов. После чего руль поворачивался в противоположном направлении.
Рисунок 2 показывает рассчитанное распределение давления на стенках и направление течения за винтом. Рассчитанные степень и угол отклонения показывают хорошее качественное согласие с экспериментом, как видно из рисунков 3 и 4.
Выводы
Хорошее совпадение предсказанного поведения и эксперимента получено для изучаемого маневра. Полученный результат демонстрирует применимость предложенной технологии для расчета маневров субмарины или движения подобного автономного устройства. CFD инструмент поможет инженерам оптимизировать конструирование и улучшить маневренность, выживаемость и стоимость субмарин.
